一种用于模拟压裂施工对地应力影响的方法及装置

1.本发明涉及钻井技术领域，尤其是涉及一种用于模拟压裂施工对地应力影响的方法及装置。


背景技术：

2.近年来，致密砂岩油气储层开发规模的不断扩大，钻井技术的不断进步和钻井成本的不断降低，水平井与分段压裂技术的结合体现出了很大的优势，水平井分段压裂技术的应用范围也越来越广。自2016年以来，我国某重点开发区域，采用水平井技术进行了规模化的开采，在初期完钻的中深水平井中，同等情况下各项技术指标较为均衡，井下故障时率较低。自2017年开始至今，针对该地区已完钻的水平井实施了大规模体积压裂。然而，在实施体积压裂作业过程中，部分邻近钻井过程不同程度地出现了复杂情况。
3.体积压裂技术是指采用分段多簇射孔技术，利用缝内较高的净压力和缝间干扰作用实现人工裂缝与天然裂缝的沟通以及横向裂缝的产生，在储层中形成长、宽、高三维方向的复杂裂缝网络，使得任意方向基质中的油气向裂缝的渗流距离“最短”，极大地提高了储集层的整体渗透率，提高低渗透非常规储层油气井的产能和最终采收率(具体请参见申请号为cn201610897188.3的中国发明专利)。
4.随着体积压裂在致密砂岩油气储层开发中的推广，为了保证水平井钻井安全，急需寻找解决体积压裂干扰钻井的方法。体积压裂过程中，压裂井周围地层的地应力会发生改变，从而会对相邻井的钻井过程造成干扰。因此，研究压裂过程中压裂井周围地层的地应力变化规律对揭示压裂对钻井干扰的机理、丰富和完善相关理论具有重要意义。
5.然而，现有技术中，缺少压裂过程中压裂井周围地层中的地应力变化规律的相关研究。


技术实现要素：

6.有鉴于此，有必要提供一种用于模拟压裂施工对地应力影响的方法及装置，用以研究压裂过程中压裂井周围地层的地应力变化规律，从而为揭示压裂对钻井干扰的机理、丰富和完善相关理论提供技术支撑。
7.为了实现上述目的，本发明提供了一种用于模拟压裂施工对地应力影响的方法，包括：
8.获取压裂井的设计参数及射孔参数；
9.根据所述压裂井的设计参数，建立水力压缝扩展模型；
10.根据所述水力压缝扩展模型及所述射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型；
11.根据压裂施工对地层的影响数值模型，确定压裂井周围地层的地应力变化规律。
12.在一些实施例中，所述压裂井的设计参数包括压裂井的井位分布数据及各个压裂井的井眼轨迹。
13.在一些实施例中，根据所述压裂井的设计参数，建立水力压缝扩展模型，具体包括：
14.根据所述压裂井的设计参数，确定水力压缝扩展模型的范围；
15.根据所述压裂井的设计参数，基于裂缝扩展判断准则，在水力压缝扩展模型的范围内建立水力压缝扩展模型，其中，所述裂缝扩展判断准则为最大能量释放率准则。
16.在一些实施例中，根据所述压裂井的设计参数，确定水力压缝扩展模型的范围，具体包括：
17.根据压裂井的设计参数，确定目标井实际压裂施工起裂点位置，并投影到平面上，得到压裂施工井的平面投影图；
18.根据所述平面投影图，确定水力压缝扩展模型的范围。
19.在一些实施例中，根据所述水力压缝扩展模型及所述射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型，具体包括：
20.根据所述射孔参数，在所述水力压缝扩展模型中添加注液点；
21.在所述水力压缝扩展模型中的各个注液点处均设置一个cohesive单元；
22.对各个cohesive单元均计算cohesive单元上的裂缝扩展参数，得到压裂施工对地层的影响数值模型。
23.在一些实施例中，所述cohesive单元为coh3d8p单元类型。
24.在一些实施例中，所述裂缝扩展参数包括应力、位移、损伤因子及裂缝宽度。
25.在一些实施例中，根据压裂施工对地层的影响的数值模型，确定压裂井周围地层的地应力变化规律，具体包括：
26.将压裂施工对地层的影响数值模型导入有限元分析软件中展开数值模拟计算，得到不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力数据：
27.根据不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力数据，得到由于压裂注液引起的水平地应力差变化控制范围及变化规律，从而确定压裂井周围地层的地应力变化规律。
28.本发明还提供了一种用于模拟压裂施工对地应力影响的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的模拟压裂过程中孔隙压力变化的方法。
29.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的用于模拟压裂施工对地应力影响的方法中的步骤。
30.与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过压裂井的设计参数建立水力压缝扩展模型，再结合射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型，接着根据压裂施工对地层的影响的数值模型确定压裂井周围地层的地应力变化规律，从而可得到压裂过程中压裂井周围地层中的地应力变化规律，为揭示压裂对钻井干扰的机理、丰富和完善相关理论提供技术支撑。
附图说明
31.图1是本发明提供的用于模拟压裂施工对地应力影响的方法的一实施例的流程示意图；
32.图2是图1中步骤s2的流程示意图；
33.图3是图2中步骤s21的流程示意图；
34.图4是图1中步骤s3的流程示意图；
35.图5是图1中步骤s4的流程示意图；
36.图6是压裂施工井的平面投影图；
37.图7是水力压裂注液过程中，在水力裂缝延伸过程中会引起沿着裂缝长度方向上的地层地应力变化示意图；
38.图8是整个注液过程中不同时间点裂缝扩展长度方向上水平地应力差随距离的变化曲线；
39.图9是针对井深3000m，以水平地应力差增大为1.5mpa的情况下视为危险情况，沿裂缝扩展方向上的水平地应力差影响范围随注液时间的变化曲线；
40.图10是整个第二段压裂注液过程中第一段水力裂缝长度方向上不同时间点裂缝扩展长度方向上水平地应力差随距离的变化曲线；
41.图11是针对井深3000m，以水平地应力差增大为1.5mpa的情况下视为危险情况，沿裂缝扩展方向上受到第二段压裂影响的水平地应力差影响范围随注液时间的变化曲线。
具体实施方式
42.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
43.请参照图1，本发明提供了一种用于模拟压裂施工对地应力影响的方法，包括：
44.s1、获取压裂井的设计参数及射孔参数；
45.具体地，所述压裂井的设计参数包括压裂井的井位分布数据及各个压裂井的井眼轨迹。
46.s2、根据所述压裂井的设计参数，建立水力压缝扩展模型；
47.s3、根据所述水力压缝扩展模型及所述射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型；
48.s4、根据压裂施工对地层的影响数值模型，确定压裂井周围地层的地应力变化规律。
49.本发明提供的技术方案通过压裂井的设计参数建立水力压缝扩展模型，再结合射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型，接着根据压裂施工对地层的影响的数值模型确定压裂井周围地层的地应力变化规律，从而可得到压裂过程中压裂井周围地层中的地应力变化规律，为揭示压裂对钻井干扰的机理、丰富和完善相关理论提供技术支撑。
50.请参照图2，步骤s2具体包括如下步骤：
51.s21、根据所述压裂井的设计参数，确定水力压缝扩展模型的范围；
52.s22、根据所述压裂井的设计参数，基于裂缝扩展判断准则，在水力压缝扩展模型的范围内建立水力压缝扩展模型，其中，所述裂缝扩展判断准则为最大能量释放率准则。
53.最大能量释放率准则可表述为：
54.55.裂纹尖端出现拉伸破坏而的易扩展；
56.裂纹尖端出现剪切破坏而得以扩展；
57.且裂纹尖端同时出现拉伸与剪切破坏而的易扩展；其中，g为牵引分离曲线下的面积代表裂缝的断裂能；c裂纹尖端出现拉伸导致的断键能；gi裂纹尖端出现剪切导致的断键能。
58.请参照图3，步骤s21具体包括如下步骤：
59.s211、根据压裂井的设计参数，确定目标井实际压裂施工起裂点位置，并投影到平面上，得到压裂施工井的平面投影图；
60.s212、根据所述平面投影图，确定水力压缝扩展模型的范围。
61.请参照图4，步骤s3具体包括如下步骤：
62.s31、根据所述射孔参数，在所述水力压缝扩展模型中添加注液点；
63.s32、在所述水力压缝扩展模型中的各个注液点处均设置一个cohesive单元，具体地，所述cohesive单元为coh3d8p单元类型；
64.s33、对各个cohesive单元均计算cohesive单元上的裂缝扩展参数，得到压裂施工对地层的影响数值模型，其中，所述裂缝扩展参数包括应力、位移、损伤因子及裂缝宽度。
65.请参照图5，步骤s4具体包括如下步骤：
66.s41、将压裂施工对地层的影响数值模型导入有限元分析软件中展开数值模拟计算，得到不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力数据：
67.s42、根据不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力数据，得到由于压裂注液引起的水平地应力差变化控制范围及变化规律，从而确定压裂井周围地层的地应力变化规律。
68.本发明还提供了一种用于模拟压裂施工对地应力影响的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的模拟压裂过程中孔隙压力变化的方法。
69.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的用于模拟压裂施工对地应力影响的方法中的步骤。
70.为了验证本发明提供的技术方案的可行性及技术效果，对一井区进行了实际的压裂过程中孔隙压力变化模拟。具体过程如下：
71.(1)获取压裂井的设计参数及射孔参数；
72.对某实例区块进行现场压裂施工和钻井施工的井进行统计分析，筛选目标井，由实例区块油田现场获取同一时间段压裂井参数(如射孔参数、分段分簇数据等)和正钻井参数(钻井液密度等)，并对工况进行统计分析，根据统计分析结果，筛选出目标井。
73.(2)根据所述压裂井的设计参数，建立水力压缝扩展模型；
74.首先，根据所述压裂井的设计参数，确定水力压缝扩展模型的范围；
75.基于筛选的目标井岩石力学参数，压裂施工设计采用射孔桥塞联作压裂工艺，使
用电缆泵送桥塞和射孔的方式进行分段和射孔，根据实例井各段加砂规模，压裂施工时限压不限排量进行施工；根据目标井压裂施工设计和井眼轨迹图，确定目标井实际压裂施工起裂点位置，并平面投影在cad中(如图6所示)；根据起裂点在cad中的平面投影，确定整个范围东西长约8700m，南北长约3000m，其两口压裂井在整个区域中间偏左位置。为了优化计算和考虑整个模型整体尺寸效果，模型尺度为整个范围的1/2，因此模型长宽尺寸为6000m
×
300m
×
600m；
76.然后，根据所述压裂井的设计参数，基于裂缝扩展判断准则，在水力压缝扩展模型的范围内建立水力压缝扩展模型。
77.根据压裂施工设计和建模范围，选用cohesive本构模型；
78.基于cohesive的本构模型可用于模拟材料失效，尤其是含界面材料的界面失效，水力压裂扩展模型选用fraction-separation准则进行描述材料失效，选用双线性本构模型；该模型假设粘性表面最初是完整的，没有任何相对位移。在牵引力达到cohesive单元强度或等效分离位移超出时，表现出可逆的线弹性行为。当分离位移超出，牵引力线性减少到零，此过程荷载与牵引位移关系不可逆。根据cohesive水力压裂扩展模型，选用最大能量释放率准则作为裂缝扩展判断准则。
79.(3)根据所述水力压缝扩展模型及所述射孔参数，建立压裂施工对地层的影响的数值模型；
80.根据cohesive水力压裂扩展模型，确定网格尺寸大小；实际计算过程中，过小的网格尺寸将导致过多的网格数量，进一步导致计算过程中需要过多服务器计算资源与过低的计算速度；过大的网格尺寸将导致网格数过少，进一步导致计算结果的精度受到影响。经过前期多次试算与分析后确定了网格全局尺寸定义为25m，全局网格数量为726600。
81.基于实例井射孔参数为依据，在模型左侧面设置注液点9个，每个注液点都在一个cohesive单元上，以此模拟多段压裂，基于数值模型，实体单元网格采用c3d8p单元类型，cohesive单元采用coh3d8p单元类型以模拟水力压裂过程中的裂缝扩展。输出结果为裂缝扩展过程中的应力s、位移u、损伤因子sdeg、裂缝宽度pfopen。
82.(4)根据压裂施工对地层的影响数值模型，确定压裂井周围地层的地应力变化规律。
83.基于数值模拟结果获取当前施工段方向上的地应力变化规律及控制范围，即通过提取不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力数据，利用模拟软件可得出当前施工段方向上的由于压裂注液引起的水平地应力差变化控制范围及变化规律；
84.请参照图7，水力压裂注液过程中，在水力裂缝延伸过程中会引起沿着裂缝长度方向上地层地应力变化。如图7所示，箭头线所在位置为水力裂缝长度方向，通过提取不同注液施工时刻水力裂缝长度方向上地应力变化数据，可得出当前施工段方向上的地应力变化控制范围及变化规律。
85.基于数值模拟结果获取段间干扰对地应力的变化规律及控制范围，即通过模拟软件对参数导入处理后，获得整个第二段压裂注液过程中第一段水力裂缝长度方向上不同时间点裂缝扩展长度方向上水平地应力差随距离的变化曲线。基于数值模拟结果，完成压裂施工对正钻井地应力影响的数值模拟分析。
86.分析结果：
87.请参照图8，图8为整个注液过程中不同时间点裂缝扩展长度方向上水平地应力差随距离的变化曲线，由图8可以看出，水平地应力差在裂缝长度方向受到水力压裂施工的影响，其影响规律可以分为四个阶段：
88.①
稳定阶段：在长度方向上，从射孔注液点开始，水平地应力差保持大体不变，其最大值为11.7mpa；
②
骤降阶段：水平地应力差突然大幅骤降，开始大幅骤降处为水力裂缝长度方向尖端位置；
③
缓降阶段：水平地应力差骤降结束后，水平地应力差开始缓慢降低；
④
再次稳定阶段：经过水平地应力差缓慢降低后，水平地应力差趋于稳定，稳定下的水平地应力差接近但不低于原有初始水平地应力差7.41mpa。
89.请参照图9，图9是针对井深3000m，以水平地应力差增大为1.5mpa的情况下视为危险情况，沿裂缝扩展方向上的水平地应力差影响范围随注液时间的变化曲线。从图9可以看出，随着注液施工的进行，裂缝向前扩展，水平地应力影响范围逐渐扩大，水平地应力差在裂缝长度方向上影响距离与注液时间成线性关系。此注液过程中最终影响最大距离为距离注液点800m位置。
90.请参照图10，图10为整个第二段压裂注液过程中第一段水力裂缝长度方向上不同时间点裂缝扩展长度方向上水平地应力差随距离的变化曲线。由图10可以看出，水平地应力差在裂缝长度方向受到第二段水力压裂施工的影响，其影响规律也可以分为四个阶段。
①
稳定阶段：在长度方向上，从射孔注液点开始，水平地应力差保持大体不变，但其最大值低于第二段压裂未施工时的11.7mpa，受到第二段压裂的影响，其最大值为10.5mpa；
②
骤降阶段：水平地应力差突然大幅骤降，开始大幅骤降处为水力裂缝长度方向尖端位置；
③
缓降阶段：水平地应力差骤降结束后，水平地应力差始缓慢降低；
④
再次稳定阶段：经过水平地应力差缓慢降低后，水平地应力差趋于稳定，稳定下的水平地应力差接近但不低于初始水平地应力差7.41mpa。
91.请参照图11，图11为针对井深3000m，以水平地应力差增大为1.5mpa的情况下视为危险情况，沿裂缝扩展方向上受到第二段压裂影响的水平地应力差影响范围随注液时间的变化曲线。从图11可以看出，随着注液施工的进行，裂缝向前扩展，水平地应力影响范围逐渐扩大，水平地应力差在裂缝长度方向上影响距离与注液时间成线性关系。此注液过程中最终影响最大距离为距离注液点1700m位置。
92.以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。